无水丙二醇冷却液对柴油机性能影响的试验

在国家节能减排政策的驱动下，内燃机呈现出高效可靠、紧凑轻量和低排放的发展趋势，升功率密度不断提高，加之诸多先进技术的采用，更进一步地导致其整机散热量急剧增加。这对内燃机冷却系统提出了更高的要求，需要其在更为恶劣的环境下具备更高的传热能力和效率。本次推文以某 4 缸增压中冷柴油机为研究对象，基于AVL台架搭建柴油机性能测试系统，获得传统的乙二醇(EGC)冷却液和无水丙二醇(PGC)冷却液对柴油机冷却液出口温度、润滑油温度、尾气排放和燃油消耗量的影响规律，这将为开展内燃机高效传热研究提供重要的思路。

01  试验装置及方法

研究样机为一台4缸水冷四气门、增压中冷柴油机，基于AVL台架，搭建了柴油机性能测试系统，系统示意如图1所示。
试验过程中，在柴油机测试台架的冷却水路上加装涡轮流量计，用来记录柴油机循环冷却液介质的体积流量；利用水温控制系统控制柴油机试验台架冷却水箱循环温度；同时在柴油机油底壳和冷却液出口布置温度传感器，测量和记录柴油机冷却液出口温度和润滑油温度。


图1 试验台架示意

根据该柴油机配套卡车的整车路谱信息，设计近似整车实际运行工况的LV14工况点循环，测试并记录柴油机冷却液出口温度、润滑油温度、尾气排放和燃油消耗量等结果。具体试验工况如表1所示。

为了模拟两种不同冷却工质启动、暖机和小负荷等冷却系统温度较低工况和在持续大负荷、满负荷等冷却系统温度较高工况对柴油机工作性能的影响，在上述柴油机试验工况下，设定两种不同的柴油机试验台架冷却水箱循环温度，系统地开展柴油机性能试验，冷却水箱循环温度分别为80和95℃。

图2 LV14循环试验工况


02  柴油机工作温度对比

表2和表3为设定不同柴油机台架冷却水箱循环温度和在不同工况下，分别使用PGC和 EGC冷却液对柴油机冷却液出口温度和润滑油温度的影响。当台架冷却水箱循环温度设定为 80℃时，柴油机使用PGC冷却液的平均出口温度为 80.77℃，使用EGC冷却液的平均出口温度为 82.10℃，即柴油机使用PGC冷却液的出口温度低于使用 EGC 冷却液；柴油机使用 PGC 和 EGC 冷却液的润滑油平均温度分别为 81.90℃和 76.89℃，即柴油机使用PGC 冷却液比使用EGC冷却液润滑油温度上升5℃左右。这表明在柴油机台架冷却水箱循环温度设定为80℃时，柴油机使用PGC冷却液冷却系统的散热量较小，使得柴油机和润滑系统升温较快，有利于柴油机的冷启动和快速暖机，进而降低启动时的尾气排放和机械磨损。当台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时，柴油机使用 PGC和EGC冷却液的平均出口温度分别为96.79℃和97.86℃，使用PGC和EGC冷却液的润滑油平均温度分别为90.49℃和89.93℃，即使用PGC冷却液的出口温度和润滑油温度与使用EGC冷却液相持平。这表明在柴油机台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时，柴油机使用PGC冷却液仍然可以保持冷却系统具有良好的散热能力，满足柴油机的工作需求。

结合柴油机热平衡和不同冷却介质物性，综合分析两种冷却液在不同工况下的冷却能力。虽然无水丙二醇冷却液相对于乙二醇冷却液的比热容和导热系数较小，但是无水丙二醇冷却液黏度随温度升高而降低，冷却水腔内的流量增加，从而提高换热系数，增大冷却项携带的能量，能够满足持续大负荷或满负荷工况下，柴油机对冷却系统的要求，使得柴油机在合理的温度范围内工作。

表2 台架冷却水箱循环温度设定为 80 ℃时柴油机工作温度对比


表3 台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时柴油机工作温度对比


03  柴油机尾气排放对比

图2为各循环工况点使用PGC和EGC冷却液对柴油机NOx排放的对比。图2a所示台架冷却水箱循环温度设定为80℃时，柴油机使用PGC和EGC冷却液的NOx排放加权平均值分别为 430.39×10-6和403.57×10-6，即在LV14 循环工况下，柴油机使用PGC冷却液比使用 EGC冷却液的NOx排放加权平均值增加了 6.65%。图2b所示台架冷却水箱循环温度设定为95℃时，柴油机使用PGC和EGC冷却液的NOx排放加权平均值分别为465.97×10-6和389.19×10-6，即在LV14循环工况下，柴油机使用PGC冷却液比使用EGC冷却液的NOx排放加权平均值增加了19.73%；当台架冷却水箱循环温度设定为 95℃，在大负荷工况2、5和11下运转时，使用PGC冷却液使得NOx排放增加了大约30%。主要原因是：柴油机使用PGC冷却液，使得缸内的温度有所上升，增加氮气在高温环境的停留时间，提高了NOx的生成速率，使得NOx排放有所增加。


图2 LV14 循环工况点两种冷却液对 NOx排放的影响

图3为各循环工况点分别使用PGC和EGC冷却液对柴油机烟度排放的对比。图3a 所示台架冷却水箱循环温度设定为80℃时，使用PGC和EGC冷却液的烟度排放加权平均值分别为 0.138 FSN和0.148 FSN，即在LV14循环工况下，使用 PGC 冷却液相比于使用EGC冷却液使柴油机烟度排放的加权均值减少了 6.8%。图3b所示台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时，使用 PGC 和 EGC 冷却液的烟度排放加权平均值分别为 0.126 FSN和 0.133 FSN，即在LV14循环工况下，使用 PGC 冷却液相比于使用EGC 冷却液使柴油机烟度排放的加权平均值减少了5.3%。由此可以得出，通过提高台架冷却水箱循环温度和使用 PGC 冷却液都可以达到改善柴油机烟度排放的效果；当柴油机在工况2和8烟度排放较高的状态下，虽然通过增加台架冷却水箱循环温度可以降低柴油机的烟度排放，但是使用 PGC 冷却液对烟度排放的降低效果更加显著。主要因为柴油机烟度产生的根本原因是燃油与空气混合不均匀，虽然柴油机的空燃比较大，但是在实际运行中，缸内仍然存在局部严重缺氧区，使得燃烧质量下降造成烟度排放增加。通过提高台架冷却水箱循环温度和使用 PGC 冷却液，提高了柴油机工作温度，有利于燃油快速蒸发，改善燃油与空气混合的均匀性，从而降低柴油机的烟度排放。


图3 LV14循环工况点两种冷却液对烟度的影响

图4为各循环工况点分别使用PGC和EGC冷却液对柴油机CO排放的对比。在LV14循环工况下，使用PGC冷却液相比于使用EGC冷却液使柴油机CO排放的加权平均值减少了3.57%。图4b所示台架冷却水箱循环温度设为 95℃时，使用PGC和EGC冷却液的CO排放加权平均值分别为541.07×10-6和556.25×10-6，即在 LV14 循环工况下，使用 PGC 冷却液相比于EGC冷却液使柴油机CO排放的加权平均值减少了2.73%。这是因为 PGC 冷却液的定压比热容相对较小，热量吸收能力相对于 EGC 冷却液较小，使得柴油机燃烧室可以保持较高的温度，有利于CO氧化为CO2，同时燃烧室温度升高促进燃油蒸发，进而形成更加均匀的混合气，改善燃烧品质减少CO排放。


图4 LV14循环工况点两种冷却液对CO排放的影响

图5为各循环工况点分别使用PGC和EGC冷却液对柴油机HC排放的对比。在不同台架冷却水箱循环温度下，使用PGC冷却液对试验的各个工况都能够达到降低HC排放的效果。综合排放分析可以得出，使用PGC冷却液使得柴油机燃烧室温度升高，燃油雾化更好，蒸发快，油、气混合均匀，火焰快速传播，导致燃烧充分和稳定。由于燃烧室温度提高导致NOx排放略微增加，但是柴油机的烟度、CO和HC都降低，尤其是在烟度、CO和HC排放较大的工况，使用PGC冷却液被降低效果更加显著。


图5 LV14循环工况点两种类型冷却液对HC排放的影响

04  柴油机燃油消耗量对比

图6为在LV14循环工况下使用PGC和EGC冷却液的燃油消耗量对比。在LV14循环工况下，柴油机台架冷却水箱循环温度设定为80℃时，柴油机使用 EGC 冷却液的加权平均燃油消耗量为7.35 kg/h，更换PGC冷却液进行试验，加权平均燃油消耗量为7.29 kg/h，即 LV14 循环工况的加权平均燃油消耗量降低 0.81% ；当台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时，使用EGC冷却液加权平均燃油消耗量为7.40 kg/h，更换PGC冷却液进行试验，加权平均燃油消耗量为7.17 kg/h，即LV14 循环工况的加权平均燃油消耗量降低了3.11%。


图6 发动机两种冷却液的燃油消耗量对比

结论

(1) 当柴油机试验台架冷却水箱循环温度设定为80℃时，柴油机使用PGC冷却液和使用 EGC 冷却液的出口温度分别为80.77℃和 82.81℃，润滑油温平均上升5℃左右；当柴油机试验台架冷却水箱循环温度设定为95℃时，使用PGC冷却液的出口温度和润滑油温度与使用EGC冷却液相持平，表明在冷却系统温度较低时，使用PGC冷却液有利于发动机的冷启动和快速暖机，同时当冷却系统温度较高时，使用PGC冷却液仍然可以保持冷却系统具有良好的散热能力。

(2) 柴油机使用 PGC 冷却液相比于使用 EGC冷却液，在柴油机试验台架冷却水箱循环温度设定为95℃和大负荷工况下NOx排放增加大约 30%，其他工况增加较小；在不同台架冷却水箱循环温度下，使用 PGC 冷却液对于柴油机的烟度、CO和 HC排放都有不同程度的降低，尤其是在烟度、CO和 HC排放较高的工况，降低效果更加显著。

(3) 在柴油机试验台架冷却水箱循环温度设定为 95℃时，柴油机使用PGC冷却液比使用 EGC 冷却液的加权平均燃油消耗量降低了3.11%。